文/周萬懷 李浩 張雪東 李明杰

1 引言

含雜率是衡量棉花品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是棉花貿(mào)易結(jié)算計(jì)價(jià)的重要參數(shù)之一，GB 1103規(guī)定皮棉標(biāo)準(zhǔn)含雜率為2.5%，棉花交易時(shí)根據(jù)實(shí)際含雜率與標(biāo)準(zhǔn)含雜率的差值進(jìn)行價(jià)格扣補(bǔ)。因此，為了使含雜率符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，加工廠通常會(huì)設(shè)置多道籽棉清理和皮棉清理工序。而過度的雜質(zhì)清理又會(huì)對(duì)棉花的其他性能造成一定的損傷，如長(zhǎng)度變短[1]、強(qiáng)度[2]和整齊度變差等[3-7]。因此，如何既能確保含雜率符合要求，又能保障其他品質(zhì)不受損傷就成為了棉花加工領(lǐng)域?qū)＜覀兪指信d趣的研究?jī)?nèi)容。目前，該領(lǐng)域常見的研究關(guān)注點(diǎn)多集中在加工工藝的提升和加工設(shè)備的改進(jìn)，在控制初始籽棉含雜率以及籽棉含雜率對(duì)纖維品質(zhì)的影響方面的研究較少。本文主要通過研究棉花采收過程中，采棉機(jī)行進(jìn)速度對(duì)籽棉含雜率的影響，期望探索更加合理的棉花采收方式和作業(yè)參數(shù)，從源頭控制棉花初始含雜率，減少棉花加工環(huán)節(jié)雜質(zhì)清理力度，以保護(hù)棉纖維原始品質(zhì)。

2 材料、設(shè)備與方法

2.1 采棉機(jī)機(jī)型選擇

CP690是由美國(guó)John Deere公司生產(chǎn)的具有典型代表的新一代自走式摘棉機(jī)，該機(jī)型設(shè)有5.15km/h、5.79km/h和6.44km/h三擋可調(diào)的采棉行進(jìn)速度，以及12.7cm、25.4cm和38.1cm三擋可調(diào)的采摘頭離地間隙，能夠同時(shí)滿足本試驗(yàn)對(duì)采棉機(jī)行進(jìn)速度和采摘頭離地高度可調(diào)的需求，實(shí)際取樣過程中發(fā)現(xiàn)38.1cm的離地高度相對(duì)于新疆主栽機(jī)采棉品種過高、導(dǎo)致采凈率大幅下降、浪費(fèi)十分嚴(yán)重，故而實(shí)際采樣時(shí)僅選用了12.7cm、25.4cm兩個(gè)離地高度。CP690制模規(guī)格最大可達(dá)2.29m（直徑）×2.39m（寬度）、重約2.2噸，因此每個(gè)組合因素水平下的樣品量十分充足，具有普遍代表性。此外，CP690將采棉和制模兩個(gè)過程融于一體，打包的棉模外部使用高韌性、高強(qiáng)度的塑料薄膜包裹，防水、防潮性能好，有利于長(zhǎng)時(shí)間保持棉花樣品處于采樣時(shí)的狀態(tài)。基于以上因素考慮，選擇CP690為試驗(yàn)機(jī)型。

2.2 樣品來源和抽樣方案設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)域選擇方面，國(guó)內(nèi)機(jī)采棉種植以北疆最具代表性，該地區(qū)的機(jī)采棉種植比例超過90%，因此將試驗(yàn)場(chǎng)地選定在北疆地區(qū)。在品種方面，新棉3號(hào)在北疆地區(qū)種植范圍最為廣泛，不但最具代表性，還便于取樣，因此將品種選定為新棉3號(hào)；在地塊選擇方面，由于采棉機(jī)行進(jìn)速度有3個(gè)水平，考慮到同一水平下至少滿足3次重復(fù)抽樣需求，以上因素共同決定了每個(gè)地塊取樣棉模數(shù)量至少為9個(gè)。加之為確保樣品代表性，在同一地塊采收時(shí)，僅在中間時(shí)段取樣。因此，每個(gè)地塊至少應(yīng)滿足27個(gè)棉模量的需求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓模重量估算約需籽棉70噸，再根據(jù)近5年籽棉平均單產(chǎn)約為4.6噸/公頃估算，取樣地塊大小至少為15公頃。

試驗(yàn)采用采收現(xiàn)場(chǎng)取樣按GB 1103.1規(guī)定1～5噸籽棉取3個(gè)樣品，每個(gè)棉模均沿半徑方向均勻選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，在每個(gè)取樣點(diǎn)獨(dú)立抽取1個(gè)樣品；抽取每個(gè)樣品時(shí)，首先去除取樣點(diǎn)處表層10cm厚的棉花，再按GB 1103.1規(guī)定的取樣方式取樣。所有樣品抽取后立即使用帶有編號(hào)的加厚加強(qiáng)PE自封袋密封保存。

2.3 主要檢測(cè)設(shè)備

樣品檢測(cè)主要分為試軋、雜質(zhì)分析和纖維檢測(cè)三個(gè)環(huán)節(jié)。在試軋環(huán)節(jié)，選用XJ114型試軋機(jī)（安慶市雙益紡織機(jī)械有限公司）對(duì)籽棉樣品試軋。試軋后，在對(duì)應(yīng)的皮棉中分別抽取兩個(gè)150 g的獨(dú)立樣品A和B，分別用于雜質(zhì)分析和纖維品質(zhì)測(cè)試。雜質(zhì)分析選用YG042型原棉雜質(zhì)分析儀（常州市天祥紡織儀器有限公司）[1-2]；纖維品質(zhì)測(cè)試選用HVI1000型大容量棉花纖維測(cè)試儀（瑞士烏斯特公司USTE?Technologies）；試驗(yàn)過程中所有樣品稱重均選用HZY-B型科研級(jí)高精度電子秤（美國(guó)華志）。

2.4 關(guān)鍵分析方法

籽棉含雜率是指籽棉樣品中含有的非籽棉物質(zhì)的重量占。假設(shè)籽棉總重量為Wsc，其由雜質(zhì)重量Wt、棉籽重量Wcs和棉纖維重量Wf構(gòu)成。這里的雜質(zhì)既包括籽棉中包含的砂石、棉花植株莖稈、棉鈴殼等大顆粒的雜質(zhì)，也包括細(xì)小的棉枝、棉葉等小顆粒雜質(zhì)。根據(jù)以上定義，籽棉含雜率可以用公式（1）表示：

一元線性回歸分析預(yù)測(cè)法是根據(jù)自變量x和因變量Y的相關(guān)關(guān)系，建立x與Y的線性回歸方程進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法。由于市場(chǎng)現(xiàn)象一般是受多種因素的影響，而并不是僅僅受一個(gè)因素的影響。所以應(yīng)用一元線性回歸分析預(yù)測(cè)法，必須對(duì)影響市場(chǎng)現(xiàn)象的多種因素做全面分析。只有當(dāng)諸多的影響因素中，確實(shí)存在一個(gè)對(duì)因變量影響作用明顯高于其他因素的變量，才能將它作為自變量，應(yīng)用一元相關(guān)回歸分析市場(chǎng)預(yù)測(cè)法進(jìn)行預(yù)測(cè)[8-10]。

一元線性回歸分析法的預(yù)測(cè)模型表示為公式（2）：

式中，xt代表自變量值，Yt代表因變量值，a代表回歸方程斜率，b代表截距，a、b參數(shù)由公式（3）和公式（4）求得。

3 結(jié)果與討論

3.1 含雜率檢測(cè)

機(jī)采籽棉中的雜質(zhì)種類多、含量高，采用單一方式難以確保雜質(zhì)清理效果。為此，本項(xiàng)目采用分段清除籽棉雜質(zhì)的方式，即針對(duì)大顆粒雜質(zhì)，如較大的棉花植株或雜草莖稈、棉鈴殼、其他植物果實(shí)以及土石磚塊等采用人工挑揀的方式清除，針對(duì)顆粒較小的雜質(zhì)，如棉花植株和其他植物的細(xì)枝、破碎的棉鈴殼和較大的葉片等在試軋階段清除，最后再使用YG042型雜質(zhì)分析儀清除皮棉中絕大部分棉花和其他植株葉片，具體流程如圖1所示。

圖1 棉花雜質(zhì)分離過程示意圖

3.2 含雜率變化趨勢(shì)

根據(jù)2020和2021兩個(gè)年度詳細(xì)檢測(cè)數(shù)據(jù)制作籽棉樣品速度與含雜率關(guān)系散點(diǎn)圖和箱線圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 籽棉試樣雜質(zhì)總體分布情況

從圖2可以看出，盡管不同速度水平下籽棉試樣含雜率各有高低，分布范圍也存在交錯(cuò)區(qū)域，但總體上速度與含雜率之間依然呈現(xiàn)出反比關(guān)系，即采棉機(jī)行進(jìn)速度高、則對(duì)應(yīng)籽棉試樣的含雜率相低，反之采棉機(jī)速度低，則對(duì)應(yīng)的籽棉試樣含雜率高。分析其原因，假設(shè)采棉機(jī)行進(jìn)速度S動(dòng)態(tài)可調(diào)、采錠工作頻率H固定不變、采錠寬度W固定不變，則有：

其中，A為單位時(shí)間內(nèi)的采收作業(yè)面積，則單位面積內(nèi)采錠工作次數(shù)t為：

當(dāng)H和W保持不變時(shí)，t與S成反比。根據(jù)棉花采收實(shí)際情況可知，t可分為主體采收時(shí)間tm和富余時(shí)間tr兩部分，當(dāng)t隨著S降低而增大時(shí)，主體采收時(shí)間tm基本保持不變，而增加的時(shí)間均屬于富余時(shí)間tr。由于棉花采收過程中絕大部分正常吐絮的棉纖維在tm內(nèi)被采收，因此tr范圍內(nèi)采集的棉纖維占比降低，而棉枝、棉葉、滴灌帶、砂石等雜質(zhì)的占比較大，從而在整體上導(dǎo)致雜質(zhì)含量升高。

3.3 采棉機(jī)行進(jìn)速度與籽棉含雜率回歸分析

首先，將同一速度水平下的所有樣本視為同一速度水平下的重復(fù)抽樣，對(duì)組內(nèi)所有樣本含雜率平均，建立采棉機(jī)行進(jìn)速度S與籽棉試樣含雜率T之間的一元線性回歸模型，結(jié)果如圖3所示。可見，兩個(gè)年度的回歸模型的判定系數(shù)分別為0.9893和0.9877，顯然采棉機(jī)行進(jìn)速度和籽棉含雜率之間具有良好的線性關(guān)系。

圖3 籽棉試樣含雜率與采棉機(jī)行進(jìn)速度的一元線性回歸模型

可以看出，從含雜率分布范圍來說，2021年度籽棉含雜率明顯高于2020年度籽棉含雜率，這與2021年國(guó)內(nèi)棉花市場(chǎng)緊俏、加工廠搶收籽棉、棉花采收不按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行甚至人為摻雜的市場(chǎng)行為相吻合；從速度與平均籽棉含雜率的關(guān)系角度來說，5個(gè)地塊均是5.15km/h的速度下含雜率水平最高，但當(dāng)速度為5.79km/h和6.44km/h時(shí)，含雜率不再完全與速度成反比。分別對(duì)5個(gè)地塊單獨(dú)建模，結(jié)果如圖4所示。

圖4 籽棉試樣含雜率與采棉機(jī)行進(jìn)速度的一元線性回歸一模型（以地塊為單位）

進(jìn)一步細(xì)化分組，將不同地塊的樣品相互獨(dú)立，同地塊相同速度水平下的試樣視為重復(fù)抽樣，對(duì)應(yīng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 籽棉試樣含雜率詳細(xì)數(shù)據(jù)（以地塊為單位）

從圖4可以看出，相關(guān)一元線性回歸模型判定系數(shù)分別為0.99226（2020年1號(hào)地塊）、0.67047（2020年2號(hào)地塊）、0.82699（2021年1號(hào)地塊）、0.06239（2021年2號(hào)地塊）和0.81879（2021年3號(hào)地塊）。相較而言，模型平均判定系數(shù)為0.67418，較以年度為單位的模型平均判定系數(shù)降低0.31432。再進(jìn)一步將每個(gè)試樣視為獨(dú)立樣本進(jìn)行回歸分析，所得結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯嚓P(guān)模型的判定系數(shù)分別為0.1646（2020年度）和0.0473（2021年度），分別為中度相關(guān)和弱相關(guān)。

圖5 籽棉試樣含雜率與采棉機(jī)行進(jìn)速度的一元線性回歸模型（單個(gè)試樣為單位）

由以上分析結(jié)果可見，隨著重復(fù)抽樣范圍的細(xì)化，速度與含雜率之間的相關(guān)性逐漸減弱；反之，隨著重復(fù)抽樣范圍的擴(kuò)大，重復(fù)抽樣次數(shù)增加，速度與含雜率之間的相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。分析其原因，由于棉花是復(fù)雜的生命體，即使地塊、品種、灌溉、施肥、打藥、采收以及其他管理方式均保持一致，也無法保證不同的棉花植株具有完全相同的成熟度、吐絮率、落葉率等，再加上采收作業(yè)時(shí)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境因素的影響等。因此，從個(gè)體樣本或較小的重復(fù)測(cè)試范圍內(nèi)分析籽棉試樣含雜率與采棉機(jī)行進(jìn)速度之間的相關(guān)性不具理論基礎(chǔ)和現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)論

通過以上分析可見，在2020和2021兩個(gè)年度內(nèi)分別重復(fù)抽樣時(shí)，采棉機(jī)行進(jìn)速度與含雜率的回歸模型判定系數(shù)分別為0.9893和0.9877；隨著重復(fù)抽樣范圍細(xì)化到地塊和單個(gè)樣品，回歸模型平均判定系數(shù)分別降低至0.67418和0.10595。因此，從宏觀層面而言，采棉機(jī)的行進(jìn)速度與籽棉試樣的含雜率顯著負(fù)相關(guān)；從微觀層面而言，棉機(jī)的行進(jìn)速度與籽棉試樣的含雜率相關(guān)性不顯著。盡管無法通過采棉機(jī)的行進(jìn)速度確定單個(gè)籽棉樣品的含雜率，但對(duì)更大范圍，如地塊或以天為單位的時(shí)段內(nèi)采集的籽棉整體含雜率具有較好的預(yù)判效果。該結(jié)論對(duì)優(yōu)化采收、棉花加工具有一定的參考意義。